[发明专利]具有pH响应性的氧化石墨烯复合膜及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种具有pH响应性的氧化石墨烯复合膜及其制备方法和用途。氧化石墨烯片层由聚阳离子电解质交联成石墨烯网络，且均匀覆盖在基质膜的表面，调节氧化石墨烯复合膜的形态和性能。该膜具有较高的化学稳定性，同时具有较高的渗透和过滤性能。这种氧化石墨烯复合膜具有优异的pH响应性能，其厚度、表面亲疏水性和孔径大小均随外界pH的调控实现调节。根据上述性质，该pH响应性氧化石墨烯复合膜可以在不同pH条件下表现出对不同污染物的选择性，可以实现对不同组分污染物的分离和回收，同时可以实现多个连续的过滤循环。该pH响应性氧化石墨烯复合膜具有极高的稳定性、优异的pH响应性和循环利用性，可用于实际的水体污染物去除和多组分污染物分离等领域。

技术领域

本发明涉及新型环境响应材料技术领域，尤其涉及一种具有pH响应性的氧化石墨烯复合膜及其制备方法和用途。

技术背景

环境响应性的膜材料可应用于物质的分离、药物控制释放和废水处理等领域。用于分离过程的环境响应性的多孔膜材料，其渗透性可随外界环境条件变化而变化，因而受到人们的广泛关注。例如，通过将聚(N-异丙基丙烯酰胺)与氧化石墨烯组装，可以制备具有热响应性的膜材料，其膜孔径可以由外界的温度控制。然而，如果在废水处理过程中将进水或膜组件从25℃加热到50℃，则会消耗非常巨大的能量。相反，在水处理过程中，调节溶液的pH相对来说更为简单。因此，具有pH响应性的膜更适用于实际的水处理过程。

pH响应性膜主要通过将含有弱酸或弱碱性官能团的聚电解质引入基质膜中获得，其制备方法包括共混、接枝和表面涂覆等。由于在膜基质中引入电解质的解离程度受溶液pH值的影响，因此聚合物链的构象将受到外界pH的影响，发生相应的改变，从而进一步影响膜的通道尺寸和表面结构。如申请号为201810977977.7的专利通过将阴离子聚合物和阳离子聚合物层层自组装得到具有pH响应性的聚合物涂层，制得pH响应性交联多层膜，可以实现油水分离。申请号为201610548449.0的专利通过将二维膜材料浸涂在含有pH响应性的共聚物溶液中，制备了pH响应性的二维薄膜材料。该材料在不同pH下表现出截然相反的亲疏水性，可用于油水乳液的分离。然而，上述专利中引入的聚合物在不同pH条件下的溶胀程度是不可控制的，因此制备的pH响应性膜并不稳定，其pH响应程度不可控制。将聚合物链进行交联可以提高其稳定性，但是由于交联后聚合物链处于无序且相互纠缠的状态，因此其pH响应效应将受到限制。

氧化石墨烯是石墨烯的重要衍生物之一。它不仅具有石墨烯原子层的厚度、优异的化学和机械稳定性，同时还含有丰富的含氧官能团，如羟基、环氧基和羧基，可以进行修饰和改性，扩大其应用范围。通过抽滤、层层自组装或刮膜的方法等可以将氧化石墨烯片层组装成氧化石墨烯复合膜。相较于其他制备方法，层层自组装不仅可以控制制备的膜的厚度，还可以控制其层间结构和层与层之间的相互作用。通过在氧化石墨烯片层之间引入不同尺寸的物质，可以得到不同纳米通道的氧化石墨烯复合膜，并将其应用于气体、有机溶剂的分离和水体净化等过程。然而，现有氧化石墨烯复合膜的通道大小是恒定的，并且不随外界环境的改变而改变，不能满足实际应用的需求。现有的关于响应型氧化石墨烯膜的专利仅有申请号为201710846147.6的专利，该专利利用氧化石墨烯作为基础材料，通过引入温度响应型高分子来制备具有温度响应性的氧化石墨烯膜。如前所述，在水处理过程中，调整进水的温度需要消耗非常大的能量，无法满足低耗的要求。因此，如何以氧化石墨烯为基础材料，制备具有pH响应性的氧化石墨烯膜材料在实际水处理过程中具有重要的意义。